CN109720520B - 压力自适应软体智能驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压力自适应软体智能驱动装置，由主动端智能软材料复合薄膜A、主动端智能软材料复合薄膜B、主动端海水腔A、主动端海水腔B、带有流道的硅胶支架、被动端软材料薄膜以及被动端海水腔组成。本发明源于压力补偿机理，利用超低模量软体材料的大变形特性，以海水作为压力补偿介质，实现无空腔的软体智能驱动装置。本发明克服了现有深海装备、电机通常需要厚重的耐压壳，灵活性差，经济成本高等不足，具有柔软、自适应、可靠性高、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及驱动器领域，尤其涉及一种压力自适应软体智能驱动装置。
背景技术
传统的水下深海机器人结构通常由硬质的电机、活塞、关节、铰链等构件组装而成，动力足、功率大、性能成熟。但是同样存在很多缺点，例如笨重、安全系数低、环境适应性差、可靠性低、传动效率低下、噪声大等。在深海环境中，极端的水压与温度环境对水下机器人带来了巨大挑战，对传统硬质水密外壳系统、电动机以及传动机构带来了极大的负担。厚重的硬质耐压外壳极大增加了水下机器人的技术复杂度、结构尺寸与整体质量。
软体机器人作为一类新型机器人，具有结构柔软度高、环境适应性好、隐蔽性强、功能多样等特点，有着十分广阔的研究和应用前景。然而目前还没有针对深海作业的全软体智能驱动器设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有深海装备、电机通常需要厚重的耐压壳，灵活性差，经济成本高等不足，提供一种可应用于深海极端压力环境下(例如，100MPa甚至200MPa的静水压力)的全软体智能驱动装置。主动端智能软材料复合薄膜在电压驱动下可以发生薄膜的膨胀和收缩，由此引起主动端复合薄膜所包裹的内部流体的流动与压力的降低和升高；流体压力变化引起被动端软材料薄膜以及该装置整体结构的驱动变形，从而实现电压加载对驱动变形的控制作用。由于该装置的构成部分：软体支架、被动端软材料薄膜和主动端智能软材料复合薄膜均可发生大变形，并且对静水压力不敏感，从而保证了该驱动装置可在深水下实现驱动，并且其驱动性能基本不受深水压力影响。
本发明提供的技术方案是：一种压力自适应软体智能驱动装置，其特征在于，所述的智能驱动装置由主动端智能软材料复合薄膜A、主动端智能软材料复合薄膜B、主动端海水腔A、主动端海水腔B、带有流道的硅胶支架、被动端软材料薄膜以及被动端海水腔组成；所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B均为3层结构，均由两层经过预拉伸的介电高弹体薄膜与一层软体导电电极薄膜复合粘接而成，所述导电电极薄膜粘接于两层介电高弹体薄膜之间；所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B分别粘接于硅胶支架的上下表面，与支架一起构成主动端海水腔A与主动端海水腔B，所述主动端海水腔A与主动端海水腔B通过硅胶支架内部的流道与支架另一端的由被动端软材料薄膜构成的被动端海水腔相连，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B中的导电电极薄膜作为高压端电极；所述驱动装置内的海水与驱动装置外的海水为两个低压端电极；在所述的主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B中，所述导电电极薄膜、两层介电高弹体薄膜与驱动装置内、外的海水均构成两个电容器，所述的两个电容器共享一个高压端。
进一步地，所述流道为“T”字形。
进一步地，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B通过与被动端软材料薄膜的协同变形，实现对外做功。
进一步地，所述驱动装置可承受100MPa的静水压力；优选的，所述驱动装置可承受200MPa的静水压力。其中，100MPa对应10000米水深，200MPa对应20000米水深。
进一步地，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B的形状均为椭球面，且相互对称，并满足公式：其中，x、y、z为复合薄膜上任意一点的笛卡尔空间坐标，R1为椭球面长轴半径，R2为椭球面短轴半径；其中，长轴半径等于硅胶支架半径，短轴半径小于长轴半径。
进一步地，所述被动端软材料薄膜的形状为椭球形，其长轴半径k,l为几何尺寸系数，取值范围为实数；其短轴半径/>m,n为几何尺寸系数，取值范围为实数。
进一步地，所述主动端智能软材料复合薄膜的面积变化与主动端加载电压满足公式：△S＝kU+b，其中，△S为主动端软材料复合薄膜的面积变化，单位为％，U为主动端加载电压，单位为千伏(kV)，k与b为拟合参数。
进一步地，所述驱动装置内部充满海水，通过内部海水的压力补偿机制，使得驱动装置内外压力达到平衡。
进一步地，所述导电电极薄膜的面积为介电高弹体薄膜的面积的90％。
进一步地，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B在与硅胶支架粘接位置处不含有导电电极薄膜。
进一步地，所述驱动装置为全软体密封结构。
进一步地，所述介电高弹体薄膜为绝缘材料。
进一步地，所述硅胶支架的直径为10-15cm，厚度为3-6cm。
进一步地，所述流道的直径为1-2cm。
进一步地，所述介电高弹体薄膜优选VHB薄膜。
进一步地，所述介电高弹体薄膜厚度为0.2mm-0.25mm。
进一步地，所述导电电极薄膜选自碳膏、导电水凝胶、离子液体层、碳纳米管夹杂导电硅胶。
进一步地，所述导电电极薄膜厚度为1μm-10μm。
进一步地，所述被动端软材料薄膜可以替换为其他带有液体腔的软材料执行机构，以实现不同的作动方式。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.全软体密封结构，且内部充满海水，因而能通过内部海水的压力补偿机制与外界海水压力平衡，适应深海高压环境，满足深海作业需求。
2.全软体密封结构，与传统硬质外壳相比，能够承受更高的压力，并具有更高的可靠性。
3.驱动与作动一体化设计，既能对外接装置做功，也能进行自驱动，灵活性高。
4.巧妙地利用海水作为低压端电极，大大降低了结构的复杂程度，并提高了结构的安全性与可靠性。
5.本发明能够在水下机器人领域具有广泛的应用。
附图说明
图1为软体智能驱动装置的主视剖视示意图。
图中所示：11.主动端智能软材料复合薄膜A，12.主动端智能软材料复合薄膜B，13.主动端海水腔A，14.主动端海水腔B，15.带有流道的硅胶支架，16.流道，17.被动端软材料薄膜，18.被动端海水腔。
图2为主动端智能软材料复合薄膜的截面剖视示意图。
图中所示：21.经过预拉伸的介电高弹体薄膜，22.软体导电电极薄膜。
图3为主动端智能软材料复合薄膜在三种静水压力(1atm、60MPa、100MPa)下其面积变化与驱动电压的关系。
具体实施方式
如图1所示，压力自适应软体智能驱动装置由主动端智能软材料复合薄膜A11、主动端智能软材料复合薄膜B12、主动端海水腔A13、主动端海水腔B14、带有流道的硅胶支架15、被动端软材料薄膜17以及被动端海水腔18组成。所述主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12分别粘接于硅胶支架15的上下表面，与支架15一起构成主动端海水腔A13与主动端海水腔B14，所述主动端海水腔A13与主动端海水腔B14通过硅胶支架15内部的流道16与支架另一端的由被动端软材料薄膜17构成的被动端海水腔18相连；优选的，所述流道16为“T”字形。
所述主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12通过与被动端软材料薄膜17的协同变形，实现对外做功。
所述驱动装置内部充满海水，通过内部海水的压力补偿机制，使得驱动装置内外压力达到平衡。所述驱动装置可承受200MPa(相当于20000米水深，接近地球上最深的海沟——马里亚纳海沟深度11000米的2倍)的静水压力。
如图2所示，所述主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12均由两层经过预拉伸的介电高弹体薄膜21内夹一层软体导电电极薄膜22复合粘接而成。所述主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12中的导电电极薄膜22作为高压端电极；所述驱动装置内的海水与驱动装置外的海水为两个低压端电极；在所述的主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12中，所述导电电极薄膜22、两层介电高弹体薄膜21与驱动装置内、外的海水均构成两个电容器，所述的两个电容器共享一个高压端。如此设置，与仅含有单层介电高弹体薄膜的驱动器相比，提升了驱动效率。此外，利用海水作为低压端，使其与传统电容器或已有的软材料电容器相比，结构更加简单、安全、可靠。
所述主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12的形状均为椭球面，且相互对称，并满足公式：其中，x、y、z为复合薄膜上任意一点的笛卡尔空间坐标，R1为椭球面长轴半径，R2为椭球面短轴半径；其中，长轴半径等于硅胶支架半径，短轴半径小于长轴半径。在本实施方案中，R1＝5cm，R2＝3cm。
所述被动端软材料薄膜17的形状为椭球形，其长轴半径k,l为几何尺寸系数，取值范围为实数；其短轴半径/>m,n为几何尺寸系数，取值范围为实数。在本实施方案中，取k＝0，l＝0，m＝0，n＝0。
所述驱动装置内部充满海水，通过内部海水的压力补偿机制，使得驱动装置内外压力达到平衡。
所述导电电极薄膜22的面积为介电高弹体薄膜21的面积的90％。
所述主动端智能软材料复合薄膜A11与主动端智能软材料复合薄膜B12在与硅胶支架15粘接位置处不含有导电电极薄膜22。
所述驱动装置可承受200MPa的静水压力。
所述驱动装置为全软体密封结构。
所述介电高弹体薄膜21为绝缘材料。
所述硅胶支架15的直径为10-15cm，厚度为3-6cm。
所述流道16的直径为1-2cm。
所述介电高弹体薄膜21优选VHB薄膜。
所述介电高弹体薄膜21厚度为0.2mm-0.25mm。
所述导电电极薄膜22选自碳膏、导电水凝胶、离子液体层、碳纳米管夹杂导电硅胶。所述导电电极薄膜22优选碳纳米管夹杂导电硅胶，如此设置，导电层与两侧的介电层有很好的粘接性，结构更加可靠。
所述导电电极薄膜22厚度为1μm-10μm。
所述执行端软材料薄膜17为普通软材料薄膜。
所述被动端软材料薄膜17可以替换为其他带有液体腔的软材料执行机构，以实现不同的作动方式。
结合图1及图2说明本发明的工作原理：软体导电电极薄膜22与两侧的介电高弹体薄膜21以及薄膜21外的海水组成了两个电容器，其中，软体导电电极薄膜22为电容器的高压端，两侧的介电高弹体薄膜21为介电层，薄膜21外的海水为低压端。通过提高导电电极薄膜22的电压，使介电高弹体薄膜21发生厚度减小与面内膨胀，从而海水从被动端海水腔18流入主动端海水腔A13与主动端海水腔B14，被动端软材料薄膜17收缩；通过降低导电电极薄膜22的电压，使介电高弹体薄膜21发生厚度增加与面内收缩，从而海水从主动端海水腔A13与主动端海水腔B14流入被动端海水腔18，被动端软材料薄膜17膨胀。不断地交替改变导电电极薄膜22的电压大小，则被动端软材料薄膜17不断地膨胀、收缩对外做功。
本发明中的驱动端智能软材料复合薄膜A11与B12经过标准大气压、60MPa、100MPa三种静水压力下的电压驱动试验，其主动端智能软材料复合薄膜A11与B12的面积变化与主动端加载电压的数据如下表所示，主动端智能软材料复合薄膜A11与B12的面积变化与主动端加载电压的关系曲线如图3所示。
从表中和图中可见，电压与驱动变形的关系可通过线性关系进行拟合：
△S＝kU+b
式中，△S为主动端软材料复合薄膜的面积变化，单位为％，U为主动端加载电压，单位为千伏(kV)，k与b为拟合参数。在本实施方案中，k＝6.7，b＝-17。
此外，从表中和图中也可以看到，主动端复合薄膜在常压和深水压力下的驱动变化很小。随着静水压力的增加，本发明仍然保持着很好的驱动能力。本发明可作为水下机器人的动力来源，避免了传统硬质电机带来的可靠性差、笨重等问题。
本发明中的主动端智能软材料复合薄膜A11与B12也经过了200MPa静水压力测试。测试结果表明本发明仍可正常工作。
Claims (18)
1.一种压力自适应软体智能驱动装置，其特征在于，所述的智能驱动装置由主动端智能软材料复合薄膜A、主动端智能软材料复合薄膜B、主动端海水腔A、主动端海水腔B、带有流道的硅胶支架、被动端软材料薄膜以及被动端海水腔组成；所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B均为3层结构，均由两层经过预拉伸的介电高弹体薄膜与一层软体导电电极薄膜复合粘接而成，所述导电电极薄膜粘接于两层介电高弹体薄膜之间；所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B分别粘接于硅胶支架的上下表面，与支架一起构成主动端海水腔A与主动端海水腔B，所述主动端海水腔A与主动端海水腔B通过硅胶支架内部的流道与支架另一端的由被动端软材料薄膜构成的被动端海水腔相连；所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B中的导电电极薄膜作为高压端电极；所述驱动装置内的海水与驱动装置外的海水为两个低压端电极；在所述的主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B中，所述导电电极薄膜、两层介电高弹体薄膜与驱动装置内、外的海水均构成两个电容器，所述的两个电容器共享一个高压端。
2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述流道为“T”字形。
3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置可承受100MPa的静水压力。
4.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置可承受200MPa的静水压力。
5.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B的形状均为椭球面，且相互对称，并满足公式：其中，x、y、z为复合薄膜上任意一点的笛卡尔空间坐标，R1为椭球面长轴半径，R2为椭球面短轴半径；其中，长轴半径等于硅胶支架半径，短轴半径小于长轴半径。
6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述被动端软材料薄膜的形状为椭球形，其长轴半径k,l为几何尺寸系数，取值范围为实数；其短轴半径/>m,n为几何尺寸系数，取值范围为实数。
7.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述主动端智能软材料复合薄膜的面积变化与主动端加载电压满足公式：ΔS＝kU+b，其中，ΔS为主动端软材料复合薄膜的面积变化，单位为％，U为主动端加载电压，单位为千伏(kV)，k与b为拟合参数。
8.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B通过与被动端软材料薄膜的协同变形，实现对外做功。
9.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置内部充满海水，通过内部海水的压力补偿机制，使得驱动装置内外压力达到平衡。
10.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述导电电极薄膜的面积为介电高弹体薄膜的面积的90％。
11.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述主动端智能软材料复合薄膜A与主动端智能软材料复合薄膜B在与硅胶支架粘接位置处不含有导电电极薄膜。
12.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置为全软体密封结构。
13.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述介电高弹体薄膜为绝缘材料。
14.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述硅胶支架的直径为10-15cm，厚度为3-6cm。
15.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述流道的直径为1-2cm。
16.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述介电高弹体薄膜厚度为0.2mm-0.25mm。
17.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述导电电极薄膜选自碳膏、导电水凝胶、离子液体层、碳纳米管夹杂导电硅胶。
18.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述导电电极薄膜厚度为1μm-10μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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